Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Степанов Борис Алексеевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРЕССОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ШТАМПОДЕРЖАТЕЛЕМ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет

Официальные оппоненты: 

Власов Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор, МГТУ им. Н.Э. Баумана; профессор

Кохан Лев Соломонович, доктор технических наук, профессор Московского государственного вечернего металлургического института; профессор

Колотов Юрий Васильевич, доктор технических наук, МГТУ Станкин, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Тульский государсвенный университет

Защита состоится л___ ____________ 2013 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д212.141.04 при МГТУ им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим выслать по указанному адресу.

Телефон для справок: (499) 267-09-63

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана

Автореферат разослан л___ ____________ 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

к.т.н., доцент В.И. Семёнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важная роль в решении проблемы широкого применения энерго- и материалосберегающих технологий принадлежит обработке металлов давлением, как одному из наиболее производительных и экономичных методов изготовления заготовок и деталей. В этой связи требуется непрерывное совершенствование выпускаемого кузнечно-прессового оборудования.

Особое место в номенклатуре поковок занимают осесимметричные поковки типа шестерен, дисков, ступиц, колес, тонкостенных оболочек различной формы и т.д. Необходимость облегчения машиностроительной продукции выдвигает в ряд актуальных задачу получения крупногабаритных тонкостенных изделий, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. Однако на этом пути встречается ряд технологических трудностей, прежде всего  - высокие удельные силы, многократно превосходящие напряжение текучести материала при температуре обработки. Эта задача наиболее эффективно может быть решена путем снижения технологических сил штамповки, для чего традиционные методы штамповки заменяются методами комбинированного нагружения.

Для круглых в плане поковок комбинированное нагружение реализуется одновременным воздействием на деформируемый металл осевой силы и крутящего момента. Практически такое нагружение осуществляется вращением инструмента во время формоизменения заготовки, поэтому такой метод деформирования получил название штамповка осадкой с кручением. В основе его лежат принципиальные, по сравнению со штамповкой поступательно перемещающегося инструментом, отличия в движении деформируемой среды, заключающиеся в изменении механики контактного взаимодействия инструмента и заготовки и возникновении в объеме металла дополнительных сдвиговых деформаций. Штамповка с кручением дает возможность существенно снизить как технологические силы деформирования, так и нормальные напряжения, действующие на инструмент, особенно в центральной зоне. Практическая реализация штамповки с кручением позволяет не только увеличить размеры поковок, штампуемых на тяжелых прессах, но и снизить их вес за счет уменьшения перемычек под прошивку и повысить точность за счет снижения упругих деформаций системы пресс-штамп, увеличить стойкость штампов.

Разработанное в начале 70-х годов при участии автора настоящей работы новое направление в обработке металлов давлением получило определенное развитие в ряде отраслей машиностроения. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны типовые технологические процессы малоотходной точной штамповки с кручением.

Для реализации новой технологии требуется создание принципиального нового кузнечно-штамповочного оборудования -  специализированных прессов с вращающимся штамподержателем, которые ни в нашей стране, ни за рубежом не разрабатываются. В связи с этим исследования, направленные на разработку и совершенствование прессов для штамповки с кручением, являются актуальными и могут быть квалифицированы как вклад в ускорение научно-технического процесса.

Цель работы - расширение области применения в машиностро-ительном производстве инновационных технологических процессов объемной штамповки тонкостенных осесимметричных деталей из черных, цветных металлов и сплавов, а также пористых материалов путем разработки конструкций, создания методик расчета и промышленного освоения специализированного оборудования с вращающимся штамподержателем.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследований.

1. Разработать конструкции специализированных прессов с вращающимся штамподержателем различного технологического назначения.

2. Создать математические модели для расчёта силовых и энергетических параметров специализированного оборудования во взаимосвязи с технологическими параметрами процессов штамповки с кручением осесимметричных поковок различных типоразмеров.

3. Разработать методику оптимизации конструктивных параметров прессов, обеспечивающих их наилучшие экономические показатели.

4. Разработать и исследовать двухмаховичный привод винтовых прессов с повышенной энергоёмкостью.

5. Провести комплексные испытания на экспериментальных образцах специализированных прессов для проверки адекватности полученных решений.

6. Внедрить результаты разработок в промышленность.

Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций с использованием основных положений теорий конструирования и оптимизации, теории механизмов и машин с использованием методов структурного моделирования, численно-аналитических методов вычислительной математики и программирования, основ дифференциального исчисления и физических методов моделирования, основ теории физического эксперимента. Экспериментальные исследования выполнены с использованием лабораторной гидравлической прессовой установки для штамповки с кручением со встроенной регистрирующей аппаратурой и специализированных прессов с вращающимся штамподержателем.

Научная новизна работы заключается в:

- научном обосновании взаимосвязи технологических параметров штамповки с кручением и технических характеристик гаммы специализи-рованных прессов с вращающимся штамподержателем;

- создании методики определения оптимальных конструктивных параметров прессов с вращающимся штамподержателем, позволяющей реализовать положительные технологические эффекты штамповки с кручением;

- создании математических моделей работы специализированных прессов во взаимосвязи с технологическими параметрами штамповки с кручением, позволяющие получать кинематические, силовые и энергети-ческие характеристики оборудования, связанные с параметрами технологии;

- получении на основе математического моделирования новых данных по механике взаимодействия заготовки и пресса: возможности осущест-вления деформации при постоянном значении технологический силы, снижении технологической силы в результате упругой деформации пресса, а также продолжении пластической деформации на этапе разгрузки пресса за счет накопленной энергии упругой деформации пресса;

- научном обосновании технических решений в процессе разработки нового двухмаховичного электромагнитного привода и разработки методики определения оптимальных конструктивных параметров, обеспечивающих максимальный к.п.д. привода.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным исполь-зованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как в лабораторных условиях, так и в процессе стендовых испытаний на заводах-изготовителях и промышленной эксплуатации специализированных прессов.

Работа выполнена на кафедре Машины и технологии обработки металлов давлением Московского государственного индустриального университета. Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры, а также на АМО ЗИЛ, Коломенском заводе тяжелых станков, Воронежском ПО ТЯЖМЕХПРЕСС, ЦНИТИМ, Полтавском заводе искусственных алмазов и алмазного инструмента (ПЗИАиАИ), Винницком инструментальном заводе.

Практическая ценность. На основе конструкторских разработок, теоретических и экспериментальных исследований созданы специализи-рованные прессы с вращающимся штамподержателем, предназначенные для штамповки осадкой с кручением. Реализация нового метода штамповки позволяет в несколько раз снизить потребную силу деформирования, что дает возможность увеличить массу и размеры штампуемых изделий, повысить их точность за счет снижения давления на инструмент, особенно в центральной зоне. Сокращение эксплуатационных расходов достигается за счет увеличения стойкости инструмента, упрощения его конструкции и уменьшения расходов на ремонт. Более высокая производительность специализированных кривошипных прессов достигается как за счет увеличения на 20-30% быстроходности прессов вследствие снижения инерционности ведомых масс, так и за счет сокращения времени на переналадку штампов и ремонт прессов. Компактность прессов дает экономию производственных площадей. Новый электромагнитный двухмаховичный привод винтовых прессов позволяет эффективно использовать их не только для штамповки с кручением, но как универсальное оборудование.

Реализация работы в промышленности. Для промышленного внедрения высокоэффективных технологических процессов штамповки методом осадки с кручением спроектированы, изготовлены и сданы в эксплуатацию следующие специализированные прессы с вращающимся штамподержателем:

1 - модернизированные винтовые фрикционные прессы модели Ф127 силой 2,5МН на ПЗИАиАИ для производства цилиндрических и конических корпусов алмазных кругов и Винницком  инструментальном заводе для производства дисковых фрез;

2 - КГШП модели К04.196.840 силой 10МН, изготовленный Воронежским ПО ТМП для производства дисковых фрез на  Винницком инструментальном заводе и оборонной продукции для ЦНИТИМа;

3 - гидравлический пресс модели П0941 силой 12,5 МН для производства на Краснодарском станкостроительном заводе  им. Седина осесимметричных деталей металлорежущих станков;

4 - гидравлический пресс модели К25.240.01 силой 10МН для ПЗИАиАИ для производства корпусов алмазного инструмента больших размеров.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Международной научно-практической конференции Образование - наука - инновационная деятельность (Москва - МГИУ 2011), на VIII Международной практической конференции DNY - VEDY 2012 (Прага, 2012), на XV Международной научно-технической конференции Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки металлов давлением (Украина, Краматорск: 2012 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО Тульский государственный университет (Тула, 2010-2012 гг.), а также на научных семинарах кафедр Технологии обработки давлением МГТУ им. Н.Э. Баумана, Кузовостроение и обработка давлением Университета машиностроения МАМИ, Системы пластического деформирования МГТУ Станкин.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 работ, в том числе 35 научно-технических статей, 19 а.с. СССР и 7 патентов.

На защиту выносятся:

- научно обоснованные конструкции специализированных винтовых, кривошипных и гидравлических прессов с вращающимся штамподержателем для штамповки методом осадки с кручением;

- методика оптимизации конструктивных параметров прессов, обеспечивающих минимальные капитальные и эксплуатационные расходы прессов;

- результаты расчетов кинематических, силовых и энергетических параметров специализированных прессов;

- математические модели новых конструкций двухмаховичного электромагнитного привода винтовых прессов, обеспечивающего высокую энергоемкость в условиях номинального режима работы электродвигателей;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработанным аналитическим моделям оптимизации конструктивных и энергетических параметров.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 179 наименований, содержит 365 страниц машинописного текста, включая 249 рисунков, 20 таблиц и приложений.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору, заведующему кафедрой МиТОМД  МГИУ Субичу Вадиму Николаевичу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, необходимость создания специализированных прессов для реализации прогрессивной технологии штамповки методом осадки с кручением, обладающей рядом преимуществ по сравнению с традиционной штамповкой, обеспечивающей, в частности, снижение контактных нагрузок на инструмент и потребной силы деформирования, возможность получения тонкостенных деталей, обладающих повышенными свойствами и др.

В первом разделе выполнен обзор технологических процессов и оборудования для изготовления осесимметричных поковок. В совершенствовании производства имеются тенденции специализации и изготовления осесимметричных поковок с целью сокращения затрат и повышения производительности. Для штамповки осесимметричных тонкостенных поковок используют как универсальное, так и специализированное оборудование, причем последнее применяют для изготовления крупногабаритных тонкостенных изделий (штамповка обкатыванием).

Исследования осадки с кручением, начатые в 70-е годы прошлого столетия в Уральском политехническом институте (Буркин С.П., Леванов А.Н.), МГИУ (Субич В.Н., Ганаго О.А.) и МГТУ им. Н.Э. Баумана (Сафонов А.В., Дмитриев А.М.), проводятся в настоящее время во многих научных коллективах: Уфимский ГАТУ (Валиев Р.З., Рааб Г.И.), Нижегородский ГТУ (Михаленко Ф.П., Шнейберг А.М.), Тульский ГТУ (Яковлев С.С.), Московская ГАПиИ (Воронцов А.П.) и др.

На основании анализа теории течения деформируемого металла в тонком слое методами комбинированного нагружения установлены параметры, влияющие на технологическую силу, контактные нагрузки, а также энергетические характеристики, взаимосвязанные с кинематикой процесса, подтвержденные многочисленными экспериментальными исследованиями. Следует отметить, что эксперименты проводятся на лабораторных установках, как правило, это гидравлические прессы, оснащенные простейшими механизмами для вращения штамподержателя.

Отсутствуют методики расчетов и проектирования прессов с вращающимся штамподержателем, поэтому, несмотря на теоретические и экспериментальные исследования, доказывающие преимущества штамповки методом осадки с кручением, специализированное оборудование для реализации данной технологии не создается. На основании анализа патентной и технической литературы, а также производственного опыта сформулированы цели и обоснована постановка задачи исследования.

Во втором разделе проведено технологическое обоснование создания прессов с вращающимся штамподержателем. Для расчета технологических параметров штамповки методом осадки с кручением использована инженерная методика, основанная на фундаментальных работах В.Н. Субича по исследованию комбинированных методов штамповки. За основу приняты результаты исследования осадки с кручением тонкого диска. Для расчета поковки сложной формы она разбивается на отдельные участки с указанием геометрических размеров каждого из них. Расчет ведется для каждого участка отдельно, начиная с наружного. Переходя от участка к участку определяются нормальные напряжения по всей поверхности. Для расчета технологического момента поковка аппроксимируется диском с наружным радиусом RН и высотой НН, вычисляемой из условия равенства объёмов: , где Vn - объём поковки.

Отличительной особенностью специализированных прессов является наличие двух главных исполнительных механизмов: для поступательного перемещения инструмента с линейной скоростью и для его вращения с угловой скоростью . Взаимосвязь главных исполнительных механизмов определяет закон изменения отношения /, а также конструктивные особенности прессов для штамповки с кручением, которые по признаку закономерности изменения отношения / могут быть с жесткой связью вращательного и поступательного движений, обеспечивающей постоянное или переменное по мере осадки отношение /, или с изменяющимся / в зависимости от возникающих осевых сил и крутящих моментов.

Работа пластического формоизменения складывается из работы деформации технологической силой АР по ходу ползуна h и работы деформации технологическим моментом АМ на угле поворота инструмента :

;  ;

Отличительные особенности прессов для штамповки осадкой с кручением по сравнению с известными установками с вращающимся инструментом состоят в следующем:

- в процессе вращения инструмента преодолеваются относительно большие крутящие моменты;

- мощность, развиваемая вращающимся инструментом, соизмерима с мощностью его поступательного перемещения;

- так как инструмент контактирует с деформируемым металлом по всей поверхности гравюры штампа, время контакта горячего металла со штампом должно быть минимальным;

- энергосиловые параметры штамповки накладывают определенные ограничения на кинематические параметры оборудования, прежде всего на соотношение угловой и поступательной скоростей штамподержателя.

В третьем разделе рассмотрены конструкции и проведены исследования винтовых прессов с вращающимся штамподержателем. Рассмотрены винтовые прессы двух конструктивных разновидностей: с жесткой и произвольной связью кинетических параметров - угловой и линейной скоростей штамподержателя. Постоянное отношение / имеет винтовой пресс с винтовым движением винта, к торцу которого жестко присоединен штамподержатель, выполненный в виде тела вращения. На рис. 1 показаны графики изменения максимальной силы и работы деформации в зависимости от величины хода винтовой нарезки винта пресса силой 4 МН. Расчеты показывают, что экономически обоснованно создание специа-лизированного винтового пресса, угол наклона винтовой нарезки винта которого должен находиться в пределах 3-6. Винтовые прессы с такой винтовой парой заклиниваются. Для реверса винта в конструкции прессов предусмотрен дополнительный механизм, выполненный в виде гидравлической подушки, встроенной в столе пресса. После окончания штамповки давление жидкости в гидравлической подушке сбрасывается, что обеспечивает расклинивание пресса.

Рис. 1 - Зависимость относительных работы (1) и силы деформирования (2) от хода винтовой нарезки

Рис. 2 - Винтовой пресс с гидравлической разгрузкой: 1 - станина; 2 - маховик; 3 - штамподержатель; 4 - винт; 5 - гидроподушка

Винтовые прессы с жесткой связью кинематических параметров имеют недостатки: низкий к.п.д. и отсутствие отскока штамподержателя. Эти недостатки устраняются в винтовых прессах с инерционным механизмом вращения штамподержателя (рис. 3), выполненным в виде дополнительной несамотормозящейся пары, в которой гайка 2 жестко установлена в станине пресса, на винте 3 закреплены штамподержатель 1 (на верхнем конце)  и дополнительный маховик 4 (на нижнем конце). На штамподержатель 1 при ударе действует технологическая  сила РТ, под действием которой в винтовой паре возникает реактивный крутящий момент, стремящийся повернуть дополнительный маховик 4. Вращению маховика препятствуют его инерция и технологический момент МТ. При правильном выборе момента инерции J2  и параметров винтовой пары можно добиться технологически необходимого режима штамповки с кручением. На основе инерционного механизма разработаны конструкции винтовых специализированных прессов с винтовым и вращательным движением винта, с верхним и нижним расположением дополнительного маховика. На рис. 3 винтовой пресс с вращательным движением винта выполнен с нижним расположением дополнительного маховика. Согласно расчетной схеме пресс содержит две взаимосвязанные вращающиеся инерционные системы: одна тормозящаяся с моментом инерции J1 - рабочий маховик и основной винт, другая разгоняющаяся с моментом инерции J2 - дополнительные маховик и винт. Обе системы во время штамповки находятся под воздействием технологической силы РТ и технологического крутящего момента МТ.  Динамические уравнения движения инерционных масс для всех прессов представляются в обобщенном виде:

где ; ; ; ; ;

S1 и S2 - ход винтовой нарезки основного и дополнительного винтов,

r1 и r2 - средние радиусы основного и дополнительного винтов, R1 и R2 - наружный и внутренний ра-диусы подпятника основного винта;

- универсальный коэффициент за-мещения, принимающий значения и в зависимости от особенностей расчета каждой из схем прессов. Скорости поступательного переме-щения 1, 2 и угловая скорость вращения штамподержателей относи-тельно друг друга определяются по формулам: 1; 2; , где , , - универсальные коэффици-енты замещения, принимающие дей-ствительные значения угловых ско-

Рис.3. Конструктивная схема винтового пресса с инерционным механизмом вращения штамподержателя: 1 - штамподержатель; 2 - гайка; 3 - винт; 4 - маховик

ростей штамподержателей в зависимости от особенностей расчета каждой из схем прессов. Разработанная математическая модель позволяет определить кинематические, силовые и энергетические параметры как технологии штамповки, так и нагружения прессов.

Главным параметром, на основе которого производится расчет пресса, является номинальная сила. Особенность прессов для штамповки с кручением состоит в том, что максимальная сила штамповки одной и той же поковки зависит от кинематических параметров пресса, изменение которых может привести к многократному снижению силы. Однако необходимо учитывать, что снижение силы штамповки сопровождается таким же многократным увеличением работы деформирования.

Поэтому проектирование необходимо начинать с определения оптимальных параметров пресса. При одинаковом технологическом назначении, производительности и качестве получаемых изделий  конкурентоспособность пресса оценивается по его капитальным  и эксплуатационным расходам. Стоимость пресса определяется его массой, а масса в свою очередь зависит от номинальной силы пресса PН, определяемой по максимальной силе штамповки Рмах, т.к. этот параметр лежит в основе расчетов на прочность деталей пресса и их сечений. Основная статья эксплуатационных затрат - это затраты на электроэнергию, зависящие от энергоемкости технологической операции.

Основная цель оптимизации - минимизация капитальных и эксплуатационных затрат проектируемого пресса. Проведенный анализ выявил следующие целевые функции, обеспечивающие достижение  заданной цели: Рмах - максимальная технологическая сила и А - энерго-емкость рабочего хода пресса, которая может быть определена по величине эф-фективной энергии , накопленной рабочим маховиком к на-чалу штамповки. Совокупность целевых функций составляет новый пара-метр - обобщенную целевую функцию  , где - относительная сила  (Р0 - максимальная сила штампо-вки без кручения) и - относительная работа (А0 - работа формоизменения без кручения). Величины целевых функций Рмах и Тэф зависят от следующих параметров пресса (параметров управления):  J2 - момента инерции разго-няющейся системы  и 2(S2) - угла наклона (хода) дополнительной винтовой пары.

Программная реализация разработанной методики представлена на примере винтового пресса силой 4 МН. Вначале проводилось исследование влияния момента инерции дополнительного маховика J2 при фиксированном значении параметра 2=9, для чего строили графики технологических сил осадки РТ в диапазоне значений J2=20Е40 Нмс2. Энергетические показатели процесса осадки с кручением в зависимости от J2 представлены кривыми работы осевых сил АР, работы крутящего момента АМ и суммарной работы А. На основании полученных данных построены графики изменения относительных сил Р и относительных работ А, а также график обобщенной целевой функции в зависимости от момента инерции J2 (рис. 4, а). Наибольшее значение функция Ф принимает при J2=25 Нмс2. Это значение момента инерции дополнительного маховика принято фиксированным для исследования влияния угла наклона винтовой нарезки дополнительного винта 2.

Далее строились графики технологической силы РТ в зависимости от угла 2 в диапазоне 2=7Е11 при моменте инерции J2=25 Нмс2, и по приведенной выше методике расчета получены графики и , на основании которых построены графики (рис. 4, б) Обобщенная целевая функция Ф имеет экстремум при 2=9.

График этой функции в координатах J2 и 2 представлен на рис. 5, на основании которого принимаются параметры J2=25Нмс2 и 2=9 как оптимальные для винтового пресса силой 4 МН с вращательным движением винта и нижним расположением дополнительного маховика.

В процессе деформации заготовки под действием технологической силы штамповки происходят упругие деформации деталей пресса, замедляющие скорость деформирования заготовки. Технологическая сила штамповки РТ определяется параметром кручения q, зависящим от скорости деформирования. Последняя, в свою очередь, зависит от скорости упругого перемещения стола, для определения которой требуется знать действительную силу штамповки РТ. В связи с этим данная задача решена численным методом путем итерационного приближения технологической силы РТ с учетом упругого перемещения стола i к силе упругой деформации пресса Рi при том же упругом перемещении стола i.

а)

б)

Рис.4. Графики изменения относительной силы , относительной работы и обобщенной целевой функции в зависимости от момента инерции дополнительного маховика (а) и от угла наклона резьбы винта (б)

На рис. 6 показаны графики изменения технологической силы осадки плоского диска, где кривая 1 характеризует силу осадки без учета жесткости пресса, а кривая 2 - с учетом жесткости пресса.

Сравнение этих графиков показывает, что деформации пресса влияют на характер изменения силы. При принятом значении коэффициента жесткости пресса с=2,35 МН/мм максимальная сила штамповки снижается с

Рис.5. Изменение обобщенной целевой функции в зависимости от и

Рис.6. Графики изменения силы осадки диска без учета (1) и с учетом (2) жесткости пресса

3,84 МН до 3,59 МН (на 6,5%). Рассматриваемый пресс имеет следующие энергетические показатели: рабочий маховик запасает к началу штамповки эффективную энергию Тэф=74,9 кДж, к.п.д. рабочего хода составляет =55,2%. Энергоемкость операции осадки с кручением по отношению к осадке поступательно перемещающимся инструментом увеличивается с 25.9 кДж до 44.2 кДж (в 1,7 раза), а сила штамповки снижается в 2,1 раза.

Расчёты показывают, что для винтовых прессов с вращающимся штамподержателем требуется повышенная (в среднем в 2 раза) эффективная энергия, а, следовательно, мощность привода, в связи с чем поставлена задача создания нового привода для таких прессов.

Четвертый раздел посвящен исследованию винтовых прессов с двухмаховичным приводом, разработанным на базе электромагнитных муфт скольжения (ЭМС). На рис. 7, а представлена конструкция пресса с жесткой связью маховика с винтом. Привод состоит  из наружного маховика -  якоря в виде массивного кольца, связанного с приводным электродвигателем посредством ременной передачи. Якорь выполняет роль маховика - накопителя. Внутри него установлен рабочий маховик - индуктор, соединенный с винтом, в котором установлены катушки, на которые подаются токи возбуждения, в результате чего возникает вращающий момент, величина которого зависит от разности в скоростях вращения якоря и индуктора, или скольжения. Вращающий момент разгоняет рабочий маховик и тормозит маховик - накопитель.

По принципу действия данный привод аналогичен приводу винтового фрикционного пресса. Отличие заключается в том, что фрикционная связь маховиков во фрикционном прессе заменена на электромагнитную связь маховиков в двухмаховичном приводе с ЭМС. Достоинством электромагнитной связи маховиков является их бесконтактная эксплуатация, низкая стоимость и высокая надёжность и долговечность в работе.

Приведенная схема винтового пресса с двухмаховичным электромагнитным приводом представляет пресс в виде двух вращающихся систем - ведущей и ведомой, взаимодействующих между собой посредством электромагнитного поля (рис. 7, б). Электромагнитная муфта с массивным якорем принципиально не отличается от асинхронного электродвигателя с массивным ротором, т.к. оба они основаны на взаимодействии вихревых токов, наведенных в массивных ферромагнитных телах при их перемещении относительно магнитного поля, с результирующим магнитным полем. Если в последнем вращающееся поле создается переменными токами, поступающи-ми из сети, то в ЭМС вращающееся поле создается вращающимся якорем.

Известные методики расчета ЭМС основаны на статических механических характеристиках - зависимости вращающего момента ММ от скольжения, не учитывающих электромагнитные переходные процессы, что может привести к большим погрешностям при определении моментов и токов, особенно в пусковых режимах. Более точные решения могут быть

а

б

Рис.7. Конструктивная (а) и приведённая (б) схемы винтовых прессов с двухмаховичным электромагнитным приводом: 1 - станина; 2 - возвратные цилиндры; 3 - ползун; 4 - гайка; 5 - винт; 6 - электродвигатель; 7 - маховик; 8 - катушки; 9 - якорь; 10 - муфта

получены, если считать ЭМС трехфазной асинхронной машиной с вращающимися статором и ротором.  В работе  использовано известное математическое описание такой схемы, представленное следующей системой уравнений:

; ;

  ;

  ;

;,

где , и - потокосцепления статора и ротора асинхронной  машины по осям и ; , - угловые скорости статора и ротора и PП -число пар полюсов ротора.

Коэффициенты уравнений системы выражаются через параметры Т-образной схемы замещения асинхронной машины с помощью следующих формул:

; ; ;; ; 

; ; ; ;

Разработанная математическая модель аналога ЭМС апробирована на примере винтового пресса силой 4 МН с эффективной энергией подвижных масс 40 кДж для стандартного пресса и с повышенной эффективной энергией 80 кДж для пресса с вращающимся штамподержателем. Принята следующая методика математического моделирования. Для всех режимов разгона рабочего маховика винтового пресса  принято время полного перемещения ползуна приблизительно 1 секунда, при этом максимальная угловая скорость рабочего маховика должна иметь величину 28,5 с-1, что соответствует эффективной энергии 40 кДж. Задаваясь начальной угловой скоростью статора =30 с-1 исследовалось влияние на к.п.д. хода разгона напряжения обмоток и числа пар полюсов ротора для различных значений момента инерции статора . Увеличение числа пар полюсов ротора приводит к росту максимального значения электромагнитного момента и при этом практически не оказывает влияния на к.п.д. хода разгона. Так, при увеличении числа пар полюсов ротора с 4 до 6 при =400Нмс2 значение момента возрастает с 4170 Нм до 4530 Нм, а к.п.д. изменяется с 50,6% до 50,5%. Поэтому на данном этапе исследований оптимальным параметром принято =4 как обеспечивающее наименьшее значение =4170 Нм. Результаты влияния на к.п.д. хода разгона напряжения обмоток дают наименьшее значение =3630 Нм при уменьшении напряжения до 40 В. Затем проводятся расчеты ЭМС при =4, =45 В, принимая большие значения (40 с-1, 50 с-1).

Конечные результаты исследования изображены в виде графика целевой обобщенной функции (к.п.д. хода разгона) в зависимости от параметров управления: начальной угловой скорости статора и его момента инерции (рис. 8). При угловой скорости =30 с-1 заданный разгон ротора можно осуществить при =400 Нмс2, =4, =45 В, при этом максимальный момент ММmax=3860Нм. Эти параметры и можно принять как оптимальные для пресса с Тэф=40кДж, т.к. они обеспечивают максимальный к.п.д. хода разгона =50,7 %. Аналогичные исследования выполнены для привода винтового пресса с эффективной энергией 80 кДж. Результаты оптимизации позволили установить следующие оптимальные параметры привода: =700 Нмс2, =7, =50В, обеспечивающие к.п.д. =47%. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что увеличение эффективной энергии пресса с 40 кДж до 80 кДж приводит к снижению к.п.д. привода на 7,3%.

В пятом разделе рассмотрены конструкции и проведено исследование специали-зированных кривошипных прессов с вращающимся штамподержа-телем. При создании таких прессов использован винтовой механизм, отличающийся тем, что винт и гайка совершают одновременно поступательное перемещение пос-редством двух ползунов - наруж-ного, перемещающегося в направ-ляющих станины, и внутреннего, перемещающегося в направля-ющих наружного ползуна. Во вре-мя штамповки вращение винта, связанного со штамподержателем, достигается за счет опережающего движения гайки относительно винта.

Рис. 8. Графики изменения к.п.д. хода разгона в зависимости от момента инерции статора J1 и его начальной угловой скорости 1Н:

Тэф=40 кДж (); Тэф= 80 кДж( )

Для обеспечения кинематики рабочего хода специализированный пресс имеет два главных исполнительных механизма: для поступательного переме-щения винта  и поступательного перемещения гайки, кинематически связан-ных между собой. В кривошипном трехэксцентриковом прессе (рис. 9) центральный кривошипно-ползунный механизм приводит в движение внутренний ползун 3 и связанный с ним винт 4, а движение гайки 7, встроенной в наружный ползун, обеспечивается другим кривошипно-ползунным механизмом, включающим два боковых эксцентрика, сочлененных с боковыми шатунами 6. Центральный эксцентрик развернут в направлении вращения относительно боковых эксцентриков на угол .

Для определения действительных угловых и линейных перемещений, скоростей и ускорений, а также расчета силовых и энергетических характеристик пресса разработана математическая модель, в которую входят технологические, кинематические и динамические уравнения. Используя метод приведения масс, реальная кинематическая схема пресса заменена расчетной двухмассовой системой, все звенья которой жесткие, за исключением станины. Электродвигатель, шкив и маховик образуют ведущую систему с приведенным моментом инерции Jn2, а эксцентриковый вал с присоединенными к нему деталями исполнительных механизмов образуют ведомую систему с приведенным моментом инерции Jn1. Звено приведения - эксцентриковый вал.

Полный цикл одиночного хода разбит на 6 этапов, для каждого из которых составлены и решены следующие динамические уравнения:

1. Включение муфты:

;

4. Упругая разгрузка:

;

2. Холостой ход вниз:

;

5. Холостой ход вверх:

;

3. Рабочий ход:

;

6. Торможение главного вала и разгон маховика:

;

где MM и МТ - моменты муфты и тормоза;

МС1 и МС2 - моменты сопротивления движению ведущих и ведомых масс, приведённых к главному валу;

Мэд - текущий момент электродвигателя, приведённый к главному валу;

МК1, МК2 - крутящие моменты на главному валу при рабочем ходе и разгрузке пресса;

1 и 2 - угловые скорости ведомых и ведущих масс.

а) б)

Рис.9. Конструктивная (а) и кинематическая (б) схема КГШП с трехэксцентриковым валом

Рис. 10. Обобщенные графики изменения силы PTmax и MKmax

Так же, как и для винтовых прессов, вначале проводятся исследования с целью определения оптимальных параметров кривошипных прессов, для чего принимаются следующие целевые функции:

- P - максимальная технологическая сила штамповки;

- M - максимальный крутящий момент на эксцентриковом валу;

- Aд - суммарная работа, затраченная электродвигателем на цикл штамповки;

- - коэффициент полезного действия пресса.

Параметры пресса (параметры управления), влияющие на процесс штамповки с кручением, а, следовательно, и на целевые функции: - угол разворота эксцентриков и  В - угол наклона резьбы винтовой нарезки винта.

Исследования выполнены применительно к КГШП силой 10 МН путём моделирования осадки с кручением плоских дисков с размерами: диск А- D=200 мм; Н=9 мм; диск В- D=183мм; Н=7 мм. Для анализа влияния угла разворота эксцентриков кривошипного вала в диапазоне = 10 - 40 рассчитывалась осадка заготовок до заданных размеров при фиксированном значении угла наклона винтовой линии В= 13.3. Для анализа влияния угла подъема резьбы винта в диапозоне В=8-30 проводились расчёты при фиксированном значении угла разворота эксцентриков =30. Аналогично строились графики крутящих моментов на эксцентриковом валу Мкр. По полученным графикам находились максимальные значения PTmax и Mkmax и строились  обобщенные кривые изменения целевых функций PTmax, Mkmax и Aд в зависимости от параметров управления и В (рис. 10, 11).

На основании полученных данных рассчитывались относительные целевые функции P; М; А и новый параметр - обобщенная целевая функция.Значения получены во всём исследуемом диапазоне углов  и в и  зафиксированы в координатах нв в виде точек. Точки с одинаковыми значениями соединены линиями, в результате чего получено поле значений обобщенной функции в координатах н в (рис. 12). В этом поле можно выделить зону минимальных значений функции , в которой находятся оптимальные значения целевых функций и параметров управления: угла разворота эксцентриков = 30 и угла подъёма резьбы винтовой пары В = 16,6. Эти параметры пресса положены в основу расчета специализированного кривошипного пресса силой 10 МН.

На рис. 13 приведен график технологической силы при осадке диска на прессе с жесткостью С = 8 МН/мм (кривая 1) и на прессе с нулевой податливостью С=(кривая 2).

Как видно из рис. 13, жесткость пресса с вращающимся  штамподержателем существенно изменяет график технологической силы штамповки. Упругие деформации пресса приводят к уменьшению скорости осадки заготовки, а, следовательно, к возрастанию параметра кручения q,  что приводит к уменьшению максимальной силы приблизительно на 1 МН или на 13%, тогда как жесткость обычных прессов не влияет на технологические параметры штамповки, а только на точностные характеристики изделий.

После прохождения ползуном мертвой точки начинается этап разгрузки, характеризуемый движением ползуна вверх и контактом верхнего инструмента с поковкой. Стол в этот период также движется вверх вследствие упругих деформаций пресса. Увеличение параметра кручения q снижает несущую способность осаживаемого слоя, и деформация продолжается под действием уменьшающихся нагрузок. В этот период скорость стола вследствие упругих деформаций пресса превышает скорость перемещения ползуна вверх. На угле поворота эксцентрикового вала = 183 эти скорости выравниваются, и в дальнейшем происходит разгрузка пресса без формоизменения заготовки, которая заканчивается при угле поворота эксцентрикового вала 185.

Рис.11. Обобщенные графики изме-нения работы электродвигателя Aд

Рис.12. Значение обобщенной целевой функции Ф в двухмерном пространстве

Отмеченное обстоятельство принципиально отличает прессы с враща-ющимся инструментом от прессов с поступательного перемещающимся инструментом. У последних упругая деформация пресса затрачивается, в основном, на преодоление трения в сочленениях звеньев механизмов, тогда как в прессах с вращающимся штамподержателем часть этой энергии расходуется на формоизменение поковки, что повышает коэффициент полезного действия специализированных прессов.

Рис.14. Графическое представление баланса работ за рабочий ход пресса

Рис.13. Графики изменения технологической силы PТ при осадке дисков: 1 - С = 8; 2 - С =

Энергетика пресса характеризуется данными, приведенными на рис. 14.

За время полного цикла одиночного хода электродвигатель затрачивает работу AД=258 кДж. Полезная работа, затраченная на осадку заготовки и ее кручение, составляет 85 кДж, т.е. пресс работает с к.п.д., равным 33%. Такой же порядок (92,9 кДж, 36%) имеют потери на трение в деталях и узлах пресса. Последняя треть энергетических затрат связана с включением муфты (52,4 кДж, 20%) и торможением ведомых масс (28,5 кДж, 11%) (в сумме 80,9 кДж, 31%).

В шестом разделе рассмотрены конструкции и проведено исследование специализированных гидравлических прессов с вращающимся штамподержателем. Как показывают экспериментальные исследования, формообразование осесимметричных тонкостенных деталей возможно при относительно малых удельных силах, но при длительном вращении инструмента, исчисляемым несколькими оборотами штамподержателя. К таким деталям относятся, например, детали типа чашек, конусов и т.п. В конструктивном решении пресса для  таких деталей  использована схема осадки с кручением с поступательным движением одного штамподержателя посредством гидроцилиндра и вращательным движением другого штамподержателя посредством высокомоментных гидромоторов (рис. 15). Пресс выполнен с нижним приводом поступательного перемещения ползуна и верхним приводом вращения штамподержателя, что обеспечивает удобство монтажа и обслуживания верхнего привода и исключает попадание на него окалины и технологической смазки. Пресс может работать как от индивидуального насосного привода, так и от насосно-аккумуляторного привода. Для исследования пресса с насосно-аккумуляторным приводом расчетная схема приводится к динамической модели двухмассовой системы. Первая из них с поступательно перемещающимися деталями пресса включает в себя плунжер силового гидроцилиндра с присоединенными к нему деталями общей массой . Вторая система вращающихся деталей пресса содержит штамподержатель и зубчатое колесо, соединенные валом (момент инерции Jk) и приводные шестерни, посаженные на роторы гидромоторов (момент инерции Jш). Рабочая жидкость давлением подается из аккумулятора  к силовому гидроцилиндру  и гидромоторам.

Уравнения движения поступательно перемещающейся и вращающейся систем имеют вид:

где и - давление соответственно в гидроцилиндре и гидромоторе;

- к.п.д. гидроцилиндра; ; - номинальное давление и номинальный момент (момент при давлении ) гидромоторов; -момент трения в подшипнике качения при радиусе качения и коэффициенте трения ; - число гидромоторов; - приведенный момент инерции вращающихся масс.

Моделирование проводилось по следующей методике. Заготовка осаживалась до размеров d=210мм; h=8мм, в два этапа. Первый этап - осадка без кручения до размеров d1=148мм; h1=16мм; второй этап - осадка с кручением. В момент, когда размеры заготовки достигают величины d, h, включаются гидромоторы и начинается вращение штамподержателя. Процесс продолжается до тех пор, пока заготовка не достигнет размеров d, h. Принимается давления в гидравлическом цилиндре с учетом потерь в трубопроводах постоянным Р=18 МПа. Давление в гидромоторах менялось в зависимости от режима штамповки 1 - =12 МПа; 2 - =15 МПа; 3 - =18МПа.

Результаты математического моделирования представлены на рис. 16, на котором изображены графики изменения линейной и угловой скоростей, а также силы деформирования в зависимости от изменения высоты осаживаемой заготовки h по мере перемещения ползуна.

Рис.15. Конструктивная схема гидравлического пресса с гидромоторами на станине:1 - цилиндр; 2 - ползун; 3 - штамподержатель; 4 - гидромоторы; 5 - зубчатая передача

Рис.16. Графики изменения скоростей и , а также технологической силы в зависимости от высоты оса-живаемой заготовки: 1 - =12 МПа;
2 - =15 МПа; 3 - =18МПа

График разделен на две части: 1-ая - осадка поступательно перемещающимся инструментом с высоты заготовки h=98мм, до высоты h=16мм; 2-ая - осадка заготовки поступательно перемещающимся ползуном и вращающимся штамподержателем (осадка с кручением) с высоты h=16мм до высоты h=8мм.

Осадка без кручения характеризуется резким возрастанием силы деформирования до момента включения гидромоторов, после чего интенсивность роста силы уменьшается и к концу осадки технологическая сила падает в зависимости от величины угловой скорости вращения штамподержателя. Максимальная сила осадки с кручением снижается по сравнению с обычной осадкой в 1,3-1,87 раза в зависимости от режима осадки. Для конечной стадии осадки эти цифры составляют 2-3,1.

При насосном безаккумуляторном приводе рабочая жидкость подается в  гидравлические цилиндры пресса непосредственно от насосов с постоян-ным расходом жидкости. В самом прессе поток жидкости разделяется на два: один поток поступает гидроцилиндр, а другой в гидромоторы. Давление жидкости в системе определяется с одной стороны сопротивлением металла пластическому деформированию, а с другой - крутящим моментом при вращении штамподержателя. Принимается, что одна часть объема жидкости V - KV поступает на перемещение плунжера гидроцилиндра, а другая часть этого объёма жидкости (1-K)V - на вращение штамподержателя, где К - коэффициент, принимающий значение 0,1Е0,9 с определенным шагом. Для каждого шага находятся скорости линейная плунжера и угловая штамподержателя, а также давление жидкости в гидроцилиндре Рц и гидромоторах Рм. Методом итераций находится такое

значение коэффициента К, при котором выполняется условие Рц-Рм , где - величина давления, близкая к нулю.

  Результаты расчётов предста-влены на рис. 17, на котором изображены графики изменения давления в гидросистеме (2), сило-вого нагружения пресса техноло-гической силой Pт (1) и техноло-гическим моментом МТ (3), а также расчётная кривая РТ (4) осадки заготовки без кручения. Штамповка происходит в автоматическом режи-ме, когда давление в гидросистеме устанавливается за счёт изменения расходов жидкости в гидроцилиндр и гидромоторы.

Рис.17. Графики технологической силы штамповки с кручением (1) и без кручения (4), технологического момента кручения (3) и давления (2) в гидросистеме в зависимости от высоты осаживаемой заготовки

В связи со сложностью аналитического решения задачи определения основных параметров процесса штамповки с кручением цилиндрических заготовок из идеально пластичного материала известные исследования выполнены с применением упрощающей кинематической гипотезы. Расширение класса технологических процессов, реализуемых на прессах с вращающимся инструментом, и методик расчёта и проектирования разрабатываемых типов оборудования может быть достигнуто на основе более общей постановки задачи с применением численных методов.  Такая задача поставлена и реализована в программном комплексе Kruchenie. Расчеты проводились для процесса горячей осадки с кручением цилиндрической заготовки из стали 20ХГНМ с начальными размерами: d0 = 62,4 мм; h0 = 17,7 мм. Начальная температура штампов принималась равной 300С; температура нагрева заготовки - 1150С. В расчетах приняты кривые температурного и скоростного  упрочнения для стали 20ХГНМ, полученные путем аппроксимации экспериментальных данных.

Используя программный продукт, поставлена и решена задача, в которой моделируется работа гидравлического пресса с гидромоторами на станине с индивидуальным насосным приводом. Рабочая жидкость подается с постоянной производительностью отдельно в гидроцилиндр и гидромоторы, в результате чего плунжер гидроцилиндра получает линейную скорость , а штамподержатель - угловую скорость . Пресс настраивается на работу в трех режимах в зависимости от максимальной силы , развиваемой гидроцилиндром: 1 - ; 2 - ; 3 - . Пресс может работать также без ограничения силы деформирования как с кручением, так и без кручения.

На рис. 18 изображены графики изменения силы PT [МН]  и работы деформации АД [кДж] в зависимости от перемещения ползуна S [мм], из которых следует, что пластическая деформация (осадка заготовки) происходит при постоянном значении технологической силы. Максимальная технологическая сила Pmax = 500 кН достигается при осадке заготовки на 2,6 мм; под действием постоянной силы Pmax = 500 кН и вращения осадочной плиты заготовка осаживается на 0,9 мм. Для других режимов работы пресса эти цифры составляют: для Pmax = 750 кН соответственно 3,4 мм и 0,8 мм, для Pmax = 1000 кН - 4,0 мм и 0,5 мм. Без ограничения максимальной силы заготовка осаживается на 4,5 мм, при этом максимальная сила составляет =1375кН. Без кручения для осадки на 3,5 мм, 4,2 мм и 4,5 мм сила осадки более чем в 2 раза превышает Pmax с кручением (рис. 18,а). Анализ энергетических затрат при осадке с кручением показывает (рис 18,б), что минимальное значение работы деформирования (2,6 кДж) имеет место при осадке поступательно перемещающимся инструментом. Вращение инструмента увеличивает работу в 2,2 раза (5,7 кДж) в режиме 1. В режимах 2, 3 работа увеличивается в 3 раза. При осадке без ограничения силы деформирования работа увеличивается в 2,1 раза (5,5 кДж). Приведенные результаты показывают, что кручение приводит к существенному увеличению энергозатрат для формоизмения заготовки. Важно отметить, что работа в режиме без ограничения силы имеет меньшее значение, чем в режимах с ограничением силы, что подтверждают данные теоретических исследований.

а) б)

Рис. 18 - Зависимости параметров: PT - силы деформирования (а) и AД - работы деформирования (б) от хода инструмента S: 1 - Pmax = 500 кН;
2 - Pmax = 750 кН; 3 - Pmax = 1000 кН; 4 - без ограничения силы деформации; 5 - осадка без кручения

Программный комплекс Kruchenie позволяет исследовать тепловой режим штамповки с кручением. В процессе формоизменения заготовки одновременно происходят процессы как теплопередачи от нагретой заготовки в инструмент, так и тепловыделения, связанного с тепловым эффектом при пластических деформациях и с превращением сил контактного трения в теплоту. На рис. 19 показано распределение температуры по сечению осаженной заготовки с начальной температурой t=1150С.

Наименьшая температура 969 в центре заготовки на контакте с осадочной плитой (изолиния 1) ниже первоначальной температуры на 181. Наибольшая температура на периферии осаживаемого образца по горизонтальной оси симметрии - 1198 (изолиния 10). Температура этой изолинии на 48 превышает исходную температуру заготовки (1150), что связано с тепловым эффектом. Наибольший перепад температур по сечению осаженного образца колеблется в пределах 224С (для всех режимов).

Изолинии

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t-ра С

999

1020

1041

1063

1084

1105

1126

1147

1168

1189

Рис. 19 - Изолинии распределения температуры по сечению заготовки

В седьмом разделе изложены результаты экспериментальных исследований и промышленного освоения прессов для штамповки методом осадки с кручением. Экспериментальное оборудование было создано на базе гидравлического пресса модели ДБ-2432 силой 1,6 МН (рис. 20) для прове-

дения комплексных исследований осадки с кручением на цилиндрических образцах из свинца и алюминиевых сплавов с замером сил и моментов и сравнения теоретических и экспериментальных данных. Наибольшее расхо-

Рис.20. Лабораторная гидравлическая установка силой 1,6 МН для штамповки с кручением

ждение результатов расчета и эксперимента не превышает 23% для всех условий проведения экспе-риментов.

Конструктивная схема винтово-го пресса с жесткой связью кинема-тических параметров положена в ос-нову модернизации винтового фрик-ционного пресса модели Ф127 си-лой 2,5 МН (рис.21), установлен-ного на Полтавском алмазном заво-де и предназначенного для изготов-ления плоских и конических корпу-сов алмазного инструмента. На рис. 21 показаны результаты экспери-ментальных исследований штампо-вки с кручением типовой детали.

Модернизация такого же пресса по схеме винтового пресса с инерционным механизмом вращения (рис. 22, а) выполнена на Винницком инструментальном заводе для штамповки с кручением дисковых фрез из стали Р6М5 диаметром 50 мм и 63 мм (рис. 22, б). Новая технология позволила повысить КИМ с 0,3 до 0,6 и снизить балл карбидной неоднородности с 6-7 до 2-3 баллов, что повысило стойкость штампованных фрез в 1,5-2 раза. На этом прессе проведены комплексные исследования

а)  б)

Рис.21. Внешний вид модернизированного винтового фрикционного пресса Ф127 силой 2,5 МН (а) и графики силы штамповки (б) поковки корпус алмазного круга в зависимости от хода ползуна

1 - эксперимент; 2 - расчет

возможности изготовления деталей из стружковых отходов металообработки углеродистых и инструментальных сталей. На рис. 22, в показан внешний вид поковки автомобиля ЗИЛ шайба коленвала из стали 45. Проведенные испытания показали, что материал деталей из стружки имеет удовлетворительную обрабатываемость резанием и износостойкость, а статическая прочность у них выше, чем у серийных. Изготовленные детали рекомендованы в эксплуатацию.

Воронежским ПО ТМП изготовлен специализированный КГШП с вращающимся штамподержателем модели К04.196.840 силой 10МН, внешний вид которого представлен на рис. 23, а. Для определения технологических возможностей пресса и силового нагружения исполнительных механизмов проведены стендовые испытания пресса под нагрузкой путем осадки заготовок на плоских плитах и двухпереходной штамповки тонкостенных поковок. Заготовки  из стали 45 диаметром 60мм различной высоты h осаживались до размеров дисков: диаметр D = 180 - 210 мм, высота H = 7 - 11,6 мм. По сравнению с традиционной осадкой сила при осадке с кручением снижена в 1,63 раза (расчетная) и в 1,5 раза (экспериментальная).

Штамповка поковок каретка синхронизатора из стали 18ХГТ осуществлялась в два перехода: осадка заготовок ; до высоты H=40 мм и диаметра D=116 мм на плоских плитах без кручения и окончательная штамповка вращающимся инструментом. Поковки, графики сил штамповки которых представлены на рис. 23, б, имеют облой толщиной 2,5мм и шириной 7,5 мм. Наибольшая сила штамповки этих поковок составляет 8,75 МН, это несколько меньше расчётной (9,8 МН).

При штамповке такой поковки поступательно перемещающимся инструментом сила штамповки составляет Р=24,5 МН, что в 2,8 раза больше, чем при штамповке с кручением.

а) б)  в)

Рис.22. Внешний вид участка штамповки фрез (а) и поковок фрезы из стали Р6М5 (б) и  шайба коленвала из стружковой заготовки (в)

Для производства крупногабаритных поковок потребовалось создание базового образца специализированного гидравлического пресса с вращающимся штамподержателем. Исходными данными для проектинрования такого пресса послужили экспериментальные исследования штамповки с кручением на лабораторном прессе и номенклатура поковок станкостроительных заводов, на основе которых Коломенским СПО спроектирован, изготовлен и сдан в эксплуатацию гидравлический пресс с вращающимся штамподержателем модели ПО941 силой 12,5 МН (рис. 24, а).

а)

б)

Рис.23. Внешний вид кривошипного пресса КО4.196.840 и графики силового нагружения при штамповке типовой поковки: 1, 4 - нару-жного; 2, 5 - внутреннего ползуна; 3,6 - сумм-марная сила. Эксперимент  - - - ; расчет Ч

Испытания пресса проводились на сборочном стенде завода: Начальные эксперименты осуществлялись без осциллографирования для оценки предельных величин диаметров и толщин поковок и определения тем самым технологических возможностей пресса. Осадке с кручением подвергались заготовки различной массы из сталей 45, 40Х, 18ХГТ, нагретые до температуры 1200-1250С. Осадка осуществнлялась сперва без кручения силой нижнего гидроцилиндра до видимой остановки нижней траверсы, а затем и силой верхнего гидроцилиндра до видимой остановки верхней подвижной траверсы. На рис. 24, б показаны образцы, полученные на прессе ПО941: плоские диски D=340 мм, h=10 мм сталь 45, D=265 мм, h=9,5 мм сталь 18ХГТ; каретка синхронизатора автомобиля ЗИЛ D= 210 мм; h= 12 мм сталь 18ХГТ; поковка типа диск с ободом D=300 мм; h=18 мм сталь 40Х. Пресс установлен на Краснодарском станкозаводе им. Седина, где освоено производство поковок шестерен с наружным диаметром 220-260 мм.

абораторные исследования штамповки некоторого класса поковок показали, что высокое качество изделия и полное заполнение металлом гравюры штампа достигается при углах поворота штамподержателя от 2  до  6 .  Наиболее перспективной с точки зрения модернизации явилась конструкция гидропресса модели П2940 силой 10 МН для холодного выдавливании Одесского ПО "Прессмаш".

Пресс содержит малогабаритную цельнолитую жесткую станину и компактный гидропривод. Гидроцилиндром служит основание пресса, а его плунжер - ползуном. На верхней части станины установлены высокомоментные гидромоторы. На модернизированном  прессе мод. К25.240.01, внешний вид которого представлен на рис. 25 а, освоено производство корпусов алмазных кругов диаметром свыше 220 мм из алюминиевого сплава АК-6 и проведены исследования технологических процессов штамповки с кручением изделий из цветных и жаропрочных сплавов.

  а)

б)

Рис.24. Внешний вид гидравлического пресса модели ПО941 (а) и поковки, полученные на этом прессе (б)

Основные недостатки существующей техно-логии штамповки изделий типа конус зак-лючаются в повышенном расходе металла (КИМ=0,34), необходимости нагревать заго-

товку до высокой температуры, что в сочетании с малой степенью деформации приводит к крупнозернистому строению материала изделия, а также в большом количестве переходов. По разработанной технологии производится формовка заготовки на первом переходе и окончательная штамповка с кручением на втором переходе. Внешний вид поковок представлен на рис. 25, б.

В целях экономии дорогостоящих цветных металлов принято при изготовлении тонких дисков осуществлять раскрой исходного материала на квадратные заготовки. Однако, при последующей штамповке таких заготовок возникают трудности, связанные с высокими технологическими нагрузками. Кроме того, во всех случаях изделия полностью не оформлены, разнотолщинность достигает 0,5 мм (по чертежу 0,2 мм), размер зерна заметно снижает эксплуатационные свойства ряда изделий. На основании

а)

  б) в)

Рис.25. Внешний вид гидравлического пресса модели К25.240.01 (а) и изделий конус (б) и диск (в), материал медь М1

экспериментальных исследований определены режимы штамповки и разработан технологиче-

ский процесс штамповки с кручением из квадратных заготовок тонких дисковых заготовок из меди и алюминиевого сплава АМ - 2М и получены

опытно-промышленные партии (рис. 25, в).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанные и освоенные в производстве технологические процессы штамповки на прессах с вращающимся штамподержателем осесимметричных поковок позволяют снизить силу деформирования в 2-2,5 раза, осуществлять штамповку в закрытых штампах, повысить стойкость инструмента.

2. Предложенные научно-обоснованные технические решения по совершенствованию привода винтовых прессов, а именно, разработанный на основании исследований новый двухмаховичный электромагнитный привод винтовых прессов отличается простотой конструкции и обеспечивает оптимальный режим работы приводного электродвигателя.

3. Разработанные на базе теоретических исследований динамические модели работы прессов, в которых взаимосвязаны технологические параметры штамповки и параметры механической системы, учитывающие реальный характер нагружения деталей и узлов пресса, позволили имитировать работу прессов в режимах автоматических холостых и рабочих ходов, определять для любого момента времени кинематические, силовые и энергетические характеристики пресса, протекание процесса штамповки в условиях упругой деформации прессов.

5. В результате исследований выявлены оптимальные параметры механической системы прессов, обеспечивающие наиболее экономичные показатели проектируемого оборудования и технологического процесса.

6. Разработанная программа, моделирующая упругие деформации пресса, влияющие на кинематику штамповки, позволила получить уточненные силовые параметры штамповки. Методика учета жесткости пресса дала возможность выполнить анализ периода разгрузки пресса после окончания штамповки.

7. Выполненное в диссертации сравнение результатов математического моделирования процессов штамповки методом осадки с кручением на прессах с вращающимся штамподержателем с экспериментальными данными, полученными при испытании опытных образцов специализированных прессов, показало их хорошее совпадение, что позволило рекомендовать разработанную методику для практического применения.

8. В результате промышленного освоения специализированных винтовых, кривошипных и гидравлических прессов разработаны и приняты в производство следующие технологические процессы:

- технологический процесс штамповки поковок корпусов алмазных кругов из алюминиевого сплава АК-6 диаметром до 220 мм на гидравлическом прессе силой 10 МН, в результате чего получена экономия металла и снижена трудоемкость механической обработки;

- технологический процесс штамповки фрез из стали Р6М5 на модернизированном винтовом прессе силой 2,5 МН и деревообрабатывающих фрез диаметром до 300 мм на гидравлическом прессе мод. П0941 силой 12,5 МН, что повысило качество и стойкость фрез;

- технологические процессы штамповки деталей типа конус из меди, позволяющие решать принципиально важные задачи получения методом объемной штамповки особо тонкостенных деталей с отношением характерных размеров свыше 50. При этом достигается снижение расхода металла, получение мелкодисперсной структуры с баллом зерна 14, устраняется необходимость обработки внутренней поверхности, в результате существенно возрастают эксплуатационные свойства изделий;

- технологические процессы штамповки поковок из литых, а также изделий из стальной стружки, механические свойства материала которых находятся на уровне и даже превосходят механические свойства аналогичного компактного материала.

По ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Приближенное решение задачи сжатия с одновременным кручением тонкого слоя / О.А. Ганаго [и др.] // Известия вузов. Машиностроение. 1978. №2. С. 140-144.

2. Оптимизация энергосиловых параметров при осадке тонкого слоя

/ О.А. Ганаго [и др.] // Известия вузов. Машиностроение. 1978.  №10. С. 42-44.

3. Субич В.Н., Степанов Б.А. Приближенные решения осесиметричной задачи // Известия вузов. Машиностроение. 1978. №3. С. 31-33.

4. Исследование процесса осадки с кручением тонкого слоя / В.Н. Субич [и др.] // Известия вузов. Машиностроение. 1980. №6. С. 26-27.

5. Штамповка поковок тонкостенных дисков осадкой вращающимся инструментом / О.А. Ганаго [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №6. С. 14-16.

6. Ганаго О.А., Степанов Б.А., Субич В.Н. Пластическое течение тонкого слоя при сжатии с одновременным сдвигом // Известия вузов.  Машиностроение. 1981. №1. С. 9-11.

7. Ганаго О.А., Степанов Б.А., Момзиков Ю.Г. Штамповка поковок шестерен в закрытом штампе с использованием сил трения // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №6. С. 31-32

8. Субич В.Н., Степанов Б.А., Арчаков А.Т. Исследование силовых параметров и деформированного состояния при осадке с кручением

н// Технолонгии легких сплавовнн. 1983. №9. С. 27-30.

9. Субич В.Н., Степанов Б.А., Арчаков А.Т. Штамповка методом осадки с кручением на гидравлическом прессе // Автомобильная промышленность. 1985. №12. С. 29-30.

10. Степанов Б.А., Субич В.Н. Исследование штамповки методом осадки с кручением на модернизированном гидравлическом прессе // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. №9. С. 30-32.

11. Субич В.Н., Степанов Б.А., Горожанкин В.Н. Кривошипнный горячештамповочнный пресс с вращающимся инструментом // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. №8. С. 18-20.

12. Степанов Б.А., Субич В.Н., Максименко А.Е. Изготовление осесиметричнных поковок штамповкой с кручением // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. №2. С. 19-21.

13. Степанов Б.А. Электромагнитный привод винтового пресса с фрикционным соединением винта с маховиком // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТуГУ. 2011. Вып. 3. С. 476 - 483.

14. Степанов Б.А. Оптимизация конструктивных параметров кривошипных прессов с вращающимся штамподержателем // Кузнечно-штамповочное производство. ОМД.  2012. № 3. С. 24 - 28.

15. Степанов Б.А. Винтовой пресс с двухмаховичным электромагнитным приводом  //  Кузнечно-штамповочное производство. ОМД. 2012. № 2. С. 29 - 34.

16. Степанов Б.А. Специализированное оборудование для штамповки осесиметричных крупногабаритных поковок // Технология металлов.  2012. № 1. С. 41 - 46.

17. Степанов Б.А. Применение специализированных горячештамповочных прессов для производства осесиметричных поковок  // Заготовительные производства в машиностроении.  2011. №12. С. 19 - 20.

18. Степанов Б.А. Оптимизация конструктивных параметров винтовых прессов с инерционным механизмом вращения инструмента // Заготовительнные производства в машиностроении. 2012. № 12.  С. 18-21.

19. Исследование силовых и энергетических параметров осадки с кручением / О.А. Ганаго [и др.] // ОМД в автомобилестроении: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МАМИ. 1978. Вып.1. С. 54-57.

20. Совершенствование конструкций винтовых прессов с вращающимся инструментом / Б.А. Степанов [и др.] // ОМД в автомобилестроении: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МАМИ. 1980. Вып.1. C. 144-151.

21. Субич В.Н., Степанов Б.А., Арчаков А.Т. Влияние жесткости кривошипных прессов на технологические параметры штамповки с кручением // Машины и автоматизация КШП: Межвузовский сборник научных трудов. М.: ВЗМИ. 1988. Вып.1. C. 21-23.

22. Степанов Б.А., Лебедь А.Д., Силаев А.И. Технологическая эффективность винтовых прессов с инерционным механизмом // Процессы ОМД в автомобилестроение: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МАМИ. 1988. Вып.1. C. 39-41.

23. Степанов Б.А., Субич В.Н. Изготовление поковок из стальной стружки // Совершенствование кузнечно-штамповочного производства: Сборник научных трудов. М.:НИАТ. 1992. C. 53-57.

24. Степанов Б.А., Максименко А.Е., Субич В.Н. Кинематические исследования специальных кривошипных прессов с вращающимся инструментом // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МАСИ. 1995. Т.1. C. 64-67.

25. Степанов Б.А. Математическое моделирование штамповки с кручением на специализированном гидравлическом прессе с вращающимся штамподержателем // Обработка материалов давлением: Сборник научных трудов. Украина. Краматорск. ДГМА. 2012. № 1. C. 267 - 270.

26. Степанов Б.А., Максименко А.Е., Субич В.Н. Определение кинематических и энергосиловых параметров штамповки типовой поковки на прессе К0940 с помощью математического моделирования // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГИУ. 1996. Т.1. C. 22-23.

27. Степанов Б.А., Тимохин В.С. Оптимизация параметров привода винтовых фрикционных прессов // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГИУ. 1999.  Т.1. C. 43-45.

28. Степанов Б.А., Тимохин В.С. Математическое моделирование винтовых прессов с вращающимся штамподержателем // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГИУ. 2000. Т.1. C. 44-47.

29. Степанов Б.А., Максименко А.Е. Перспективы использования КГШП с вращающимся ползуном // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГИУ. 2000. Т.3. C. 49-51.

30. Степанов Б.А., Тимохин В.С. Оптимизация конструктивных параметров двухмаховичного электромагнитного привода винтовых прессов // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГИУ. 2003. Т.1. C. 68-71.

31. Степанов Б.А., Тимохин В.С. Оптимизация параметров фрикционного привода винтовых прессов // Техника, технология и перспективные материалы: Межвузовский сборник научных трудов.  М.:  МГИУ. 2004. Т.2. C. 60-63.

32. Степанов Б.А., Тимохин В.С., Авдеев А.С. Моделирование двухмаховичного фрикционного привода винтовых прессов // Машиностроенние и инженерное образование. М: МГИУ. 2005. №3. C. 71-73.

33. Степанов Б.А. Исследование исполнительных механизмов кривошипных прессов с вращающимся штамподержателем // Обработка материалов давлением: Сборник научных трудов. Украина. Краматорск. ДГМА. 2011. №1(26). C. 203-208.

34. Степанов Б.А. Математическое моделирование штамповки с кручением на специализированном гидравлическом прессе с вращающимся штамподержателем // Обработка материалов давлением: Сборник научных трудов. Украина. Краматорск. ДГМА. 2012. № 1. C. 267 - 270.

35. Степанов Б.А. Технологическая эффективность специализированных гидравлических прессов с вращающимся штамподержателем // MATEнRIALLY VIII MEZINARODNI VEDEKO PRAKTICA KONFERENCE. Praha. 2012. C. 26-28.

36. А.с. 871865 СССР. Штампы для объёмной штамповки / Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.Н. Субич и др. // Б.И. 1981. № 38.

37. А.с. 916341 СССР. Гидравлический пресс / Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.Н. Субич и др. // Б.И. 1982. № 12.

38. А.с. 986052 СССР. Кривошипный пресс / Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.Н. Субич и др. 1983. ДСП.

39. А.с. 1007306 СССР. Винтовой пресс / О.А. Ганаго, Н.В. Холмогоров,  Б.А. Степанов и др. 1984. ДСП.

40. А.с. 1110062 СССР. Кривошипный пресс / Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.А. Волов и др. 1984. ДСП.

41. А.с. 1194688 СССР. Гидравлический пресс для штамповки с кручением / О.А. Ганаго, Б.А. Степанов, А.В. Сафонов и др. // Б.И. 1985. № 44.

42. А.с. 1232499 СССР. Гидравлический пресс / О.А. Ганаго,
А.В. Сафонов, Б.А. Степанов и др. // Б.И. 1986. № 19.

43. А.с. 1234214 СССР. Гидравлический пресс / О.А. Ганаго, Н.А. Лобавнов, Б.А. Степанов и др. // Б.И. 1986. № 20.

44. А.с. 1247147 СССР. Штамп для штамповки с кручением / В.Н. Субич,  Б.А. Степанов, О.А. Ганаго и др. // Б.И. 1986. № 28.

45. А.с. 1249816 СССР. Винтовой пресс / В.Н. Субич, Б.А. Степанов, А.Т. Арчаков и др. // Б.И. 1986. №31.

46. А.с. 1276521 СССР. Кривошипный пресс для штамповки с кручением / О.А. Ганаго, А.М. Гришков, Б.А. Степанов и др. // Б.И. 1986. № 46.

47. А.с. 1297361 СССР. Гидравлический пресс / Г.Н. Руин,
В.Д. Резницкий, Б.А. Степанов и др. 1987. ДСП.

48. А.с. 1305965 СССР. Способ осадки / В.Н. Субич, Б.А. Степанов, О.А. Ганаго и др. ДСП.

49. А.с. 1368192 СССР. Кривошипный пресс для штамповки с кручением / О.А. Ганаго, А.А. Боков, Б.А. Степанов и др. // Б.И. 1988. № 3.

50. А.с. 1431217 СССР. Механический пресс для штамповки с кручением / О.А. Ганаго, Б.А. Степанов,  В.Н. Субич и др. ДСП.

51. А.с. 1433829 СССР. Винтовой пресс для штамповки с кручением

/ Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.Н. Субич и др. // Б.И. 1988. № 40.

52. А.с. 1451049 СССР. Гидравлический пресс для штамповки с кручением / Б.А. Степанов, О.А. Ганаго, В.Н. Субич и др. // Б.И. 1989. № 2.

53. А.с. 1721971 СССР. Винтовой пресс для штамповки с кручением

/ Б.А. Степанов, А.В. Сафонов, В.Н. Субич и др. ДСП.

54. А.с. 228664 СССР  / А.Н. Капустин, Б.А. Круглов, Б.А. Степанов и др. ДСП.

55. Патент  №2193969 (РФ). Пресс / Степанов Б.А., Демин В.А., Тимохин В.С. // Б.И. 2002. №34.

56. Патент  №2193970 (РФ). Винтовой пресс / Степанов Б.А., Демин В.А., Тимохин В.С. // Б.И. 2002. №34.

57. Патент  №2193971 (РФ). Винтовой пресс / Степанов Б.А., Демин В.А., Тимохин В.С. // Б.И. 2002.  №34.

58. United States Patent  4.603.573. Press / O.A. Ganago, A.V. Safonov, В.А. Stepanov. 1986.

59. United States Patent  4.559.807. Press / O.A. Ganago, A.V. Safonov, В.А. Stepanov. 1986.

60. Konungariket Sverige Patent 8303671-5. Press med vridbart anordnad stansverktygshallare./ O.A. Ganago, A.V. Safonov, В.А. Stepanov. 1985.

61. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс Kruchenie. Власов А.В., Шестаков Н.А., Субич В.Н., Степанов Б.А. №2012614648. 2012.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям